中国科学技术大学：《光学 Optics》课程教学课件（PPT讲稿）Chapter 4 光的衍射 Diffraction of Light 4.1 光的衍射现象和惠更斯-费涅耳原理

第四章光的衍射

第四章 光的衍射

4.1光的衍射现象和惠更斯-费涅耳原理 光的衍射现象 惠更斯-费涅耳原理，基尔霍夫边界条件 巴俾涅原理 衍射的分类

4.1 光的衍射现象和惠更斯-费涅耳原理 光的衍射现象 惠更斯-费涅耳原理，基尔霍夫边界条件 巴俾涅原理 衍射的分类

一、光的衍射现象 衍射(Diffraction):当波动遇到障碍时，能够绕过障碍物 并在其后的几何阴影区内造成一定的强度分布，这种偏离直 线传播的现象称为衍射。（不能用反射和折射解释的绕射现 象) 水波的衍射 思考：光波既然是波，为什么在实际生活中比较难观察到？

一、 光的衍射现象 衍射（Diffraction）：当波动遇到障碍时，能够绕过障碍物， 并在其后的几何阴影区内造成一定的强度分布，这种偏离直 线传播的现象称为衍射。（不能用反射和折射解释的绕射现 象） 水波的衍射 思考：光波既然是波，为什么在实际生活中比较难观察到？

波长与孔径的比例是敏感因素 限制与扩展 明显的衍射现象要求障碍物的尺 一般说来，在什么方向上限制波动 度合适(10310，)，太大向直线 波动就在什么方向上扩展，限制越 传播过渡，太小向散射过渡。 严，扩展也越强，成为一对限制和 反限制的矛盾。 2<< 见≈ 微结构 衍射图样

明显的衍射现象要求障碍物的尺 度合适（103~10λ），太大向直线 传播过渡，太小向散射过渡。 一般说来，在什么方向上限制波动， 波动就在什么方向上扩展，限制越 严，扩展也越强，成为一对限制和 反限制的矛盾。 波长与孔径的比例是敏感因素 限制与扩展 微结构 衍射图样

△B中心衍射斑的角宽度 a缝宽 a·△0≈λ 光孔线度与衍射程度之间的反比关系

  缝宽 中心衍射斑的角宽度 光孔线度与衍射程度之间的反比关系 𝑎 · 𝛥𝜃 ≈ 𝜆 𝑎

二、惠更斯-费涅耳原理 惠更斯原理：次波源波面的包络就是下一时刻的波面。 次波源 t时刻， S波面 t时刻， S波面 n2 振源 定性而不能定量 不能准确回答振幅、位相 的传播问题

二、惠更斯-费涅耳原理 惠更斯原理：次波源波面的包络就是下一时刻的波面。 定性而不能定量 不能准确回答振幅、位相 的传播问题

惠更斯原理对衍射的解释 波的传播过程，可以看作是次波中心 不断地衍生出新的次波的过程 次波 次波中心 波前

惠更斯原理对衍射的解释 波前 次波中心 次波 波的传播过程，可以看作是次波中心 不断地衍生出新的次波的过程

惠更斯的次波概念 继承 补充和发展 次波相干叠加 提出 吸取 菲涅耳 惠更斯一菲涅耳原理 (1788-1827) 光波干涉概念 衍射理论框架

惠更斯的次波概念 光波干涉概念 继承 吸取 补充和发展 提出 次波相干叠加 惠更斯—菲涅耳原理 衍射理论框架 菲涅耳 （1788-1827）

次波的相干叠加：在光源S周围作一封闭曲面Σ（波前），S在场点 P引起的振动就是Σ上所有点发出的次波在P点引起的振动的矢量和。 d(P) 惠更斯费涅耳原理：空间某点的振动可看作波前上所有面元发出 的次波在该点的相干迭加，数学上表述为： U(P)=∑dU(P) 与惠更斯原理相比：i)波面→波前；i)包络→相干迭加 目的：求有障碍物时衍射场的分布，Σ一般取在衍射屏上

惠更斯-费涅耳原理：空间某点的振动可看作波前上所有面元发出 的次波在该点的相干迭加，数学上表述为： 次波的相干叠加：在光源S周围作一封闭曲面Σ（波前），S在场点 P引起的振动就是Σ上所有点发出的次波在P点引起的振动的矢量和。 P Q  d r S d ( ) U P U P U P ( ) d ( )  = 与惠更斯原理相比：i）波面→波前；ii）包络→相干迭加 目的：求有障碍物时衍射场的分布，Σ一般取在衍射屏上